Evasio Lavagno Dipartimento di Energetica, Politecnico di Torino

1. Seminario su Modelli bottom-up per la pianificazione energetica: le applicazioni di TIMES a scenari europei ed italiani Evasio Lavagno Dipartimento di Energetica, Politecnico di Torino Corso Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino, Italia Milano, 13 marzo 2009

2. Modelli bottom-up per la pianificazione energetica: le applicazioni di TIMES a scenari europei ed italiani Contenuti della presentazione: Modelli top-down e modelli bottom-up Metodologia e strumenti della famiglia di modelli MARKAL- TIMES (IEA-ETSAP) Applicazioni di TIMES in ambito UE in ambito extra-UE in ambito Italiano Conclusioni (problemi aperti)

3. tipologie dei modelli energetici Il ruolo che l’energia può svolgere in diversi scenari, sia di medio che di lungo periodo, può essere analizzato: con modelli “economici”, nei quali, all’interno della classica formulazione delle equazioni che governano le variabili economiche, il settore energetico viene descritto in modo molto semplificato (modelli top down, ad equilibrio generale), con modelli “ingegneristici” (modelli bottom up, ad equilibrio parziale), nei quali si parte da una descrizione molto dettagliata delle componenti energetiche (commodities e tecnologie) nei vari settori economici, ma la domanda di servizi energetici è usualmente una variabile esogena, governata da driver macroeconomici.

4. Modelli bottom-up per la pianificazione energetica: le applicazioni di TIMES a scenari europei ed italiani Nei modelli di tipo bottom-up, il punto di partenza è la descrizione del sistema energetico di interesse (locale, nazionale, regionale o globale) avendo in mente gli obiettivi dello studio ed seguendo le “regole di grammatica e sintassi” specifiche della famiglia di strumenti di calcolo che si intendono utilizzare. Il modello è prodotto dall’analista su indicazione del committente. Gli strumenti di calcolo servono a tradurre in linguaggio matematico gli schemi logici del modello e le relazioni tra gli elementi che lo compongono e a risolvere il particolare problema che, di solito, consiste nel definire soluzioni di allocazione ottimale di risorse limitate (comunemente con le tecniche della Programmazione Lineare).

5. Electricity Crude oil Crude oil Dry Gas Dry Gas Wet Gas Wet Gas Coal Coal Coal in ground Coal in ground Home space Oil in ground Oil in ground Gas in ground Gas in ground Imported Oil Imported Oil Heating Gas fired Gas fired Gas Gas Power plant Power plant extraction extraction Gas Gas Gas Gas Plant Plant Furnace Furnace Coal fired Coal fired Coal Coal Power plant Power plant extraction extraction Electric Electric Heater Heater Oil fired Oil fired Power plant Power plant Oil Oil extraction extraction Pipeline Pipeline Oil Oil Furnace Furnace Oil Oil refinery refinery Oil Oil Import Import Delivered Crude Delivered Crude HFO LFO il Sistema Energetico di Riferimento Un Reference Energy System è un reticolo di tecnologie e commodities, che rappresenta il sistema energetico (e delle emissioni) di un paese, una provincia o una regione. Una tecnologia è un processo che produce o consuma commodities Una commodity può essere una forma energetica, una emissione, un materiale, o un servizio energetico. HFO LFO

6. il Reference Energy System Primary Energy Supply Conversion Technologies End-Use Technologies Demand for Energy Service (Primary Energy) (Final Energy) (Useful Energy) Fuel processing Plants e.g. -Oil refineries -Hydrogen prod. -Ethanol prod. Power plants e.g. -Conventional Fossil Fueled -Solar -Wind -Nuclear -CCGT -Fuel Cells -Combined Heat and Power - ……. Industry, e.g. -Steam boilers -Machinery Services, e.g. -Air conditioners -Light bulbs Households, e.g. -Space heaters -Refrigerators Agriculture, e.g. -Irrigation pumps Transport, e.g. -Gasoline Car -Fuel Cell Bus Industry, e.g. -Process steam -Motive power Services, e.g. -Cooling -Lighting Households, e.g. -Space heat -Refrigeration Agriculture, e.g. -Water supply Transport, e.g. -Person-km Renewables e.g. -Biomass -Hydro Mining e.g. -Crude oil -Natural gas -Coal Imports e.g. -crude oil -oil products Exports e.g. -oil products -coal Stock changes

7. industria • trasporti • residenziale • terziario • agricoltura La costruzione del modello Sulla base del RES si procede alla classificazione delle categorie di domanda di uso finale si identificano le tecnologie da analizzare con maggior dettaglio Il modello costruito per il sistema energetico di riferimento prende in considerazione la domanda di energia primaria e secondaria disaggregata nei tradizionali macrosettori: valuta le traiettorie evolutive del Sistema Energetico nei diversi periodi presi in esame sulla base delle assunzioni relative alle variabili esogene che guidano la domanda di energia e alla disponibilità e ai costi delle risorse primarie

8. La rappresentazione delle tecnologie La tecnologia rappresentata è una centrale termoelettrica alimentata a gas naturale. I parametri che permettono di rappresentarla sono di tipo tecnologico, economico ed ambientale. Parametri tecnologici - la potenza installata (GW) - il rendimento - le modalità temporali di funzionamento - il fattore di disponibilità annuale - la vita tecnologica dell'impianto - il tipo di combustibile utilizzato - l’anno di costruzione Parametri economici - il costo d‘investimento (€/GW); - i costi fissi di O&M (€/GW/a); - i costi variabili di O&M (€/GWh/a) - esternalità, tassazioni, sussidi, ….…. Parametri ambientali - coefficienti di emissione ELCP GAS Emissioni Potenza Installata CTE Combustibile [PJ/a] Elettricità Prodotta [GWh/a]

9. Modalità tipiche di proiezione della domanda Popolazione Numero di unità edilizie PIL regionale Fatturato dei settori industriali energy intensive Fatturato degli altri settori industriali Fatturato del settore servizi Fatturato del’agricultura PIL pro capite Storyline (BASE CASE) : Dinamica della popolazione, progresso tecnologico, etc. GEM-E3 PIL: crescita annua media (2.4%) PIL(2100) = 12*PIL(2000) POP: crescita a 9 miliardi (2000-2100) Drivers: PIL, outputs settoriali, popolazione, parco edilizio DEM = K*(Driver)elasticity Domanda di usi finali Elasticità:- saturazione sul lungo periodo  minore elasticità dopo 2050 - convergenza tra PVS e paesi industrializzati verso il 2050

10. Le curve di domanda e offerta

11. il modello matematico di ottimizzazione il problema Primale eil problema duale Max ctx Min bt y s.t. Ax ≤ b Aty ≥ c x ≥ 0 y ≥ 0, dove: • x è il vettore delle variabili-decisione, • ctx è una funzione lineare che rappresenta l’Obiettivo da massimizzare, e • Ax ≤ b è il set di vincoli di disuguaglianza. Ogni variabile duale yi può essere assegnata al proprio corrispondente vincolo primale. Se il problema primale ha una soluzione finita ottimale x*, allora anche il problema duale l’avrà (y*); entrambi i problemi hanno la stesso valore della funzione Obiettivo. I valori ottimali delle variabili duali sono anche chiamati prezzi-ombra (shadow prices) dei vincoli primali. Il vettore (x*,y*) rappresenta l’equilibrio.

12. La struttura di MARKAL - TIMES Il modello è costituito da un insieme di data files (.xls, .mdb, etc). I Generatori di Modelli (MARKAL and TIMES) sono codici che elaborano gli schemi predisposti dagli analisti e generano una matrice di coefficienti corrispondente alla rappresentazione matematica del modello. Il linguaggio di programmazione usato per scrivere il codice è GAMS (General Algebraic Modelling System). Un risolutore è un package integrato con GAMS, che risolve il programma matematico prodotto dal Generatore di Modelli. Gli Scenari sono un insieme coordinato di inputs / outputs Lo "shell" è una interfaccia utente che è in grado di gestire tutti gli aspetti legati alla gestione del modello.

13. Combustibili Processi (tecnologie di Energy Processi (dispositivi di Fonti primarie Domanda secondari conversione) carrier domanda) S T _ D O C O U N Y O F S D A O L M P A A _ L S . W E L B m H S V C _ _ G I I L _ E R I _ . I H _ N G O e G _ _ _ _ F P P _ P P P S _ P P P P S O Industria tessile Turbogas E N O I Z A T R Impianti a Industria O vapore P meccanica M I idroelettrico Industria metallurgica E N Motori a O I Z combustione A interna R T S E Usi elettrici obbligati Ciclo combinato La struttura di MARKAL - TIMES VEDA_FE Dati numerici in formato Shell Grafica Excel - TEMPLATES GAMS TIMES Preprocessor RES Informazioni sulla struttura ü Interpolazione dati ü Valori di default Controllo di ü consistenza Equazioni ü Funzione obiettivo ü Equazioni che Solutore definiscono la GIS • impianti • Linee • ………. esterno struttura del sistema CPLEX energetico Vincoli dell’utente ü Output routine VEDA_BE Files di risultati Shell Grafica + Excel

14. le versioni di MARKAL - TIMES In linea di principio ci sono 3 modi di lavorare con MARKAL-TIMES • Una versione “least cost” (standard), che valuta l’impatto delle politiche sui settori energetici, incluse le tecnologie di uso finale. • Una versione “partial equilibrium” (MARKAL-ED; MARKAL-MICRO), che include nella valutazione degli effetti sui livelli di consumo. • Una versione “general equilibrium” (MARKAL- o TIMES-MACRO), che valuta gli effetti sull’intera economia.

15. l’Implementing Agreement IEA - ETSAP Il Programma di Analisi dei Sistemi Tecnologici dell’Energia … … è un Agreement internazionale multilaterale, promosso e sponsorizzato dalla International Energy Agency. La cooperazione ha avuto inizio dopo la prima crisi petrolifera, per valutare, attraverso l’analisi di sistema, se: • le alternative al petrolio erano realizzabili dal punto di vista tecnico, economico e ambientale; • le solutioni dovevano essere Globali o dipendenti da fattori nazionali; • le politicheRD&Dglobali sull’energiaerano praticabili e utili. Dopo due anni di studio (1976-77), dal momento che gli strumenti disponibili all’epoca non erano in grado di fornire risposte, il gruppo iniziò a sviluppare un nuovo strumento, il generatore di modelli MARKAL.

16. l’IEA -Implementing Agreement ETSAP Gli esperti ETSAP assistono i decision-makers nel formulare politiche volte ad affrontare i problemi associati a: • i fabbisogni energetici, • il progresso tecnologico, • i danni ambientali, e • lo sviluppo economico, … sviluppando • un programma co-operativo di analisi dei sistemi tecnologici dell’energia • studi modellistici su possibili sviluppi.

17. gli Annexes di ETSAP 1978-80 Model development (BNL, KFA-Jülich) 1981-83 Energy Technology Systems Analysis Project 1984-86 Information Exchange Project 1987-89 International Forum on Energy Environment Studies 1990-92 Greenhouse Gases and National Energy Options: Technologies & Costs for Reducing GHG Emissions 1993-95 Energy Options for Sustainable Development 1996-98 Dealing with Uncertainty Together 1999-02 Contributing to The Kyoto Protocol 2002-05 Exploring Energy Technology Perspectives 2003-05 Energy Models Users’ Group 2005-08 Global Energy Systems and Common Analyses By the end of the Annex X there are more than 230 MARKAL-TIMES licensed institutions, of which nearly 180 are active in 69 countries.

19. Alcune recenti applicazioni di TIMES per la UE In Europa: NEEDS (New Energy Externalities for Developments in Sustainability) Including the externalities to the direct costs of commodities and technologies. RES2020 (Monitoring and Evaluation of the RES directives implementation in EU25 and policy recommendations) Describing the renewable energy sources and their development potential and impacts with more detail. REALISEGRID (REseArch, methodoLogIes and technologieS for the effective development of pan-European key GRID infrastructures to support the achievement of a reliable, competitive and sustainable electricity supply) Analysing the reliability and the development needs of electricity and gas infrastructures in EU27+ and Western Balkans

20. Valutazione delle esternalità dei sistemi energetici Externalities arise when the social or economic activities of a participant in the economy have negative or positive impacts on another participant and these impacts are not fully accounted for or compensated by the first participant. External costs are externalities that are transformed into monetary values to allow a comparison between externalities and with private costs. Externalities of all stages of the production process have to be considered, including construction, dismantling, fuel cycle. Inserimento delle esternalità tra i costi “interni” delle tecnologie descritte con ‘approccio TIMES Realizzazione del Modello Europeo TIMES:pan-EU27+

21. Quali esternalità sono state considerate? Environmental externalities: the release of a substance or energy (noise, radiation) into environmental media (air, indoor air, soil, water), that causes - after transport and transformation - considerable (not negligible) harm to ecosystems, humans, crops or materials. Includes global warming impacts: damage costs and avoidance cost approach used. Accidents: Public and partly occupational risks caused by accidents (use of expectation value). Insecurity of oil supply addressed, but small.

22. Altre recenti applicazioni MARKAL – TIMES (extra UE) EFDA-TIMES ETSAP-TIAM (TIMES Integrated Assessment Model) ETP Energy Technology Perspectives MARKAL System for the Analysis of Global Energy markets (SAGE)

23. Il modello EFDA a 15 regioni

24. il modello TIAM

25. 15 regioni + OPEC/Non-OPEC le regioni del modello TIAM Africa*Australia-New Zealand CanadaCentral and South America*China Eastern EuropeFormer Soviet Union IndiaJapanMexico Middle-East*Other Developing Asia*South KoreaUnited StatesWestern Europe TIMES Integrated Assessment Model

26. Risk of Energy Availability: Common Corridors for Europe Supply Security FP7 – Energy Security of Supply

27. Il progetto REACCESS: i partners FP7 - Topic ENERGY.2007.9.1.1: Energy security of supply Collaborative Project with predominant research and policy components Acronym: REACCESS Full Title: Risk of Energy Availablity: Common Corridors for Europe Supply Security The Partners POLITOPolitecnico di Torino – Italy ASATREMApplied System Analysis, Technology And REsearch, Energy Models – Italy CCCCClimate Change Coordination Center – Kazakhstan CIEMATCentro de Investigaciones Energéticas, medioambientales y Tecnológicas – Spain DLRDeutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt, German Aerospace Center – Germany KANLOKanlo Consultants – France IETInstitute for the Economy in Transition – Russia IFEInstitute of Energy Technology - Norway NTUA-EPU National Technical University of Athens - Greece ARC/RSA Austrian Research Centres – Research Studios Austria – Austria F-UNEDFundación General de la Universidad nacional de Educación a Distancia – Spain VTTValtion Teknillinen Tutkimuskeskus, Technical Research Centre of Finland – Finland USTUTTUniversity of Stuttgart – Germany CNR-IMAA Institute of Methodologies for Environmental Analysis - Italy

28. Il progetto REACCESS: le attività The REACCESS Work Packages WP1 Project management, scientific co-ordination and WP activities integration WP2 Identification and detailed description of the “captive” energy import framework for EU 27+ energy routes WP3 Identification and detailed description of the “open sea” energy import framework for EU 27+ energy routes WP4 EU security of supply and environment policies vs. energy routes WP5 Modelling the EU energy system supply corridors WP6 Scenario analysis and result reporting WP7 Dissemination and exploitation activities

29. Modello multiregionale composto da: 27 Member States dell’EU + Norvegia, Svizzera e Islanda 14 regioni ex-TIAM (rappresentanti il “Rest of the World”) Molte decine di corridoi energetici, sia terrestri che “open sea”, appartenenti alla regione “Corridoi Energetici”

30. .

31. Infrastrutture per l’elettricità e il gas in Europa Kharasavey: 1259 Shtokmanov: 3000 Bovanenkov: 4375 Yamburg: 4135 Zapolyarnoye: 3419 Medvezhe: 549 Gullfaks Troll Statfjord Urengoy: 5369 Kollsnes Frigg Helsinki Oseberg Heimdal Oslo Stockholm Komsomol: 468 Kårsto St. Petersburg Stavanger Belfast Tyra Ekofisk Dublin W' haven Milford Emden Haven Berlin Minsk Isle of Grain London Brüssel Zeebrügge Warschau Prag Montoir Orenburg: 805 Paris Wien El Ferrol Bern Bilbao Karachaganak: 453 Budapest Lyon Rovigo Zagreb Astrakhan: 2518 Bukarest Krk Lissabon La Spezia Belgrad Madrid Fos-sur-Mer Sofia Barcelona Istanbul Cordoba Rom Sines Valencia Brindisi Cartagena Huelva Shah Deniz: 400-1000 Arzew Kangiran Gonbaldi: Skikda Tunis Algier Athen

32. Il progetto MATISSE Modello multiregionale sviluppato nell’ambito della Ricerca di Sistema Elettrico Italiano Leader CESI (ora CESI RICERCA) Ambito energetico: sistema elettrico, multi grid.

33. Il modello multiregionale del sistema elettrico italiano The figure represents (in a simplified way) the typical RES structure inside a generic region, with electricity import/export and trade with neighbouring regions. The other energy vectors which supply the power plants are described as in-flows coming from a virtual region representing the aggregated Italian Energy scheme.

34. The functional scheme for the Model of the Electricity System presents • Segments of electrical services demand 150 End use technologies supplied with different voltage levels • Supply technologies (thermal, hydro and other renewables power plants, combined heat and power plants) 8 Time-slices (Winter, Spring, Summer, Fall and D/N) 5 Voltage levels Lo schema funzionale di MATISSE

35. MATISSE: la rete elettrica The grids are represented through 5 voltage levels AAT produced & imported AAT national grid AT MT BT distribution 5 electricity commodities ELCP • ECLAA • ECLA ECLM • ELCD 4 GRID technologies GRIDAAT GRIDAT GRIDMT GRIDBT

36. repowering e conversioni Cassano (MI) Ponti S.M. (BS) Tavazzano (LO) Chivasso (TO) Ostiglia (MN) Sermide (MN) circa 13.500 MW Porto Corsini (RA) ENEL Edison Edipower Endesa Tirreno Power AEM MI ASM BS Santa Barbara (AR) Sarmato (PC) Piacenza (PC) Pietrafitta (PG) La Casella (PC) Torrevaldaliga Nord(RM) Torrevaldaliga Sud (RM) Mercure Sulcis (CA) Termini Imerese (PA)

37. Novara (NO) Torviscosa (UD) Moncalieri (TO) Mantova (MN) Ravenna (RA) Vercelli (VC) S. Nazzaro (PV) Edison Enipower Energia AEM TO AceaElectrabel Atel Voghera (PV) Termoli (CB) Candela (FG) Brindisi (BR) circa8.500 MW Altomonte (CS) Simeri Crichi (CZ) nuovi cicli combinati

38. Le tipologie di impianto The plant typologies taken into consideration are listed in the table: Medium size and large plants are spatially identified and characterised. Only small plants are aggregated (minihydro, mni-chp, …).

39. La curva del carico elettrico The figure shows the Power Plants contribution to the load curve: gas fuelled Combined Cycle Plants base-load oil and gas fuelled Steam Cycle Plants modulation

40. MATISSE

41. I modelli di sistemi regionali: Piemonte e Lombardia

42. . Grazie per l’attenzione